基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于折射圖像偏差的三維信息視 覺測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視覺測量技術(shù)在航空、航天、軍工、航海導(dǎo)航等各個領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用。 視覺測量具有非接觸、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過相機(jī)拍攝的圖片即可快速測量空間物體 的三維坐標(biāo)。而現(xiàn)在的單目視覺測量常常需要激光、投影儀等光學(xué)輔助設(shè)備，完成空間信息 的測量，導(dǎo)致測量過程繁瑣、測量效率低等缺點(diǎn)。北京工業(yè)大學(xué)的李秀智等人申請的發(fā)明專 利CN105184857A，"基于點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測距的單目視覺重建中尺度因子確定方法"提出在單目視 覺重建引入結(jié)構(gòu)光主動視覺實現(xiàn)歐式三維重建。該方法從結(jié)構(gòu)光出發(fā)，提出一種以點(diǎn)結(jié)構(gòu) 光為輔助的單目視覺歐式三維重建方法，包括光斑質(zhì)心中心定位、加入RANSAC排異的空間 直線擬合、求取空間三維點(diǎn)坐標(biāo)。然而，該方法在測量過程中需要反復(fù)調(diào)整棋盤靶標(biāo)的位置 多次，在每一位置還需要拍攝一張不打結(jié)構(gòu)光的照片和一張打結(jié)構(gòu)光的照片，并且要求激 光器和相機(jī)的空間位置不能發(fā)生變化，相對較麻煩復(fù)雜，穩(wěn)定性難以保證。中國科學(xué)院光電 技術(shù)研究所的趙汝進(jìn)等人申請的發(fā)明專利CN104864851A，"一種基于矩形周長和面積加權(quán) 約束的單目視覺位姿測量方法"中提出的測量方法:利用4個特征點(diǎn)構(gòu)造了矩形，并利用矩 形目標(biāo)在位姿變化過程中其周長和面積保持不變的幾何特征建立了加權(quán)誤差約束關(guān)系，再 對矩形面積和周長誤差約束轉(zhuǎn)換為對目標(biāo)位姿的約束，誤差約束關(guān)系構(gòu)造了迭代解算位姿 方法。該測量方法不能實現(xiàn)在任意被測物表面布置4個特征點(diǎn)構(gòu)造矩形，因此測量范圍十分 有限;其次在構(gòu)造特征矩形的過程中，矩形的幾何精度難以保證，矩形的形狀尺寸誤差會對 測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果較不穩(wěn)定。
[0003] 上述發(fā)明主要研究基于圖像的空間三維信息測量等問題，并取得了很多重要成 果，但其單目視覺大多都輔助激光或者投影儀投影特征光條進(jìn)行測量，測量效率低，測量過 程較為繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要克服現(xiàn)有單目測量的缺陷，發(fā)明一種基于折射圖像偏差的三維信息視覺 測量方法，降低了單目測量的成本、簡化了測量流程并且提高了測量速度。將傳統(tǒng)的基于激 光投影或者基于空間先驗知識的單目視覺測量方法，改變?yōu)闊o需先驗知識，只通過平行光 學(xué)玻璃進(jìn)行輔助的單目視覺測量方法，提高了測量效率并且降低了成本，實現(xiàn)了單目相機(jī) 對于全視場內(nèi)的快速測量。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量方法，采 用單攝像機(jī)先拍攝一張圖像A1，然后將已知折射率的玻璃板以任意角度放入相機(jī)前，再利 用攝像機(jī)拍攝一張圖像A2,利用兩張圖像的偏差量，完成被測物體空間三維信息的測量;測 量方法的具體步驟如下：
[0006] 第一步進(jìn)行單攝像機(jī)的標(biāo)定
[0007] 測量方法采用單攝像機(jī)相對固定的方式，以精密加工的靶標(biāo)板對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定 的方法；以張正友等人提出的基于2維平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法為基礎(chǔ)，并針對測量過程 中相對距離高精度的測量要求，實現(xiàn)單目系統(tǒng)在較大視場下的高精度標(biāo)定，單攝像機(jī)模型 如下所示：
[0009]其中，（U0，VQ)為圖像的主點(diǎn)坐標(biāo)，（Cx，Cy)為橫縱方向的等效焦距，R，T分別為攝像 機(jī)坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，（Xw，Yw，Zw)為控制點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐 標(biāo)，Μ為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，Q為相機(jī)外參數(shù)矩陣，（u，v)為控制點(diǎn)在攝像機(jī)平面上的像素坐標(biāo)， Z。為比例因子；
[0010]第二步標(biāo)記點(diǎn)特征的提取
[0011]采用梯度重心法分別提取A1、A2圖像上的特征，首先采用高斯一階微分算子對圖 像進(jìn)行卷積操作，以獲得圖像在各點(diǎn)的梯度，則對于標(biāo)志圖案所在子區(qū)域的梯度重心點(diǎn)坐 標(biāo)的求取方法如下：
[0013] 其中，C為應(yīng)用梯度重心法所提取的標(biāo)記點(diǎn)中心像素坐標(biāo)值，（i，j)為標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)， |6(1，」）|為(1，」）點(diǎn)的梯度幅值，《，11分別為目標(biāo)圖像的寬和高，？(1，」)為（1，」）點(diǎn)的圖像坐 標(biāo)；
[0014] 第三步三維信息求解
[0015] 由于添加的玻璃板是平行板，所以通過以下方程求解平行玻璃板的法向量η;
[0016] n(v0 Xb) =0 (3)
[0017] 其中，n為平行玻璃板的法向量，v〇是圖像上標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)的空間方向矢量，b是同一 特征點(diǎn)添加平行玻璃板前后的偏差矢量；
[0018] 在無平行板遮擋前，通過小孔成像模型得到公式(4)，
[0020]在平行板遮擋后，通過多折射模型得到公式(5)，
[0022]公式(4、5)中：P為空間一點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)，P(3)為P的第三列，f為攝 像機(jī)焦距，cU為玻璃板厚度，V0為靠近鏡頭端的光路的方向向量，￥:光路在玻璃板中的方向 向量；
[0023] 通過公式(4)和公式(5)的連立求解出P(3)，從而求解出P。
[0024]本發(fā)明的有益效果是此方法只需單一攝像機(jī)搭配厚度已知的平行玻璃板，不需要 輔助激光以及輔助投影儀，也不需要已知圖像中的先驗知識，即可對于圖像內(nèi)的特征進(jìn)行 三維信息的重建，降低了測量成本、增加了測量效率。
【附圖說明】
[0025] 圖1所示為基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量裝置模型圖。其中：1 一攝像機(jī)， 2-平行板玻璃，3-被測空間點(diǎn)。
[0026] 圖2基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0027] 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。附圖1為基于折射圖 像偏差的三維信息視覺測量裝置模型圖。本裝置通過攝像機(jī)拍攝光學(xué)玻璃遮擋前后的兩張 圖片，進(jìn)行空間物體三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確測量。
[0028] 其測量裝置的安裝方式如下：采用帶有廣角鏡頭的攝像機(jī)拍攝物體圖像，攝像機(jī) 型號為FASTCAM UX50,分辨率：1248*1024,幀頻：保證分辨率1024*1024情況下最多可達(dá) 2000fps。廣角鏡頭型號為AF-S 17-35mm f/2.8D IF-ED參數(shù)如下所示，鏡頭焦距：f=17-35，APS焦距:25.5-52.5，最大光圈:F2.8，最小光圈:F22，鏡頭重量:745g，鏡頭尺寸:82.5 X 106。拍攝條件如下：圖片像素為1248 X 1024,視場約為600mm X 600mm。
[0029] 首先通過圖形工作站控制攝像機(jī)進(jìn)行拍攝圖像A1，然后利用玻璃板2對相機(jī)進(jìn)行 遮擋，再利用圖形工作站控制攝像機(jī)進(jìn)行拍攝圖像A2。
[0030] 附圖2是基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量流程圖，測量方法的具體步驟如 下：
[0031] 第一步進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定
[0032] 測量方法采用攝像機(jī)相對固定的方式，以精密加工的靶標(biāo)板對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的 方法。該方法以張正友等人提出的基于2D平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法為基礎(chǔ)，并針對測量 過程中相對距離高精度的測量要求，以單目測量系統(tǒng)空間點(diǎn)的重建精度作為目標(biāo)函數(shù)。并 采用Longguet-Higgins提出的歸一化8點(diǎn)算法計算得到基本矩陣，高速攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)M， 外參數(shù)Q=[R T]如表1所示：
[0033]表1攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果
[0035] 采用張氏標(biāo)定方法求取相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，再加上以單目測量系統(tǒng)空間點(diǎn)的重建精 度作為目標(biāo)函數(shù)對內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行整體優(yōu)化，進(jìn)一步提高較大視場下標(biāo)記參數(shù)的可信度。
[0036] 第二步標(biāo)記點(diǎn)特征的提取
[0037] 采用上述提到的梯度重心法分別提取平行玻璃板2遮擋前后圖像A1、A2上標(biāo)記點(diǎn) 的像素坐標(biāo)值，分別為Χι = (250 · 23，618 · 34)、X2 = (253 · 12，619 · 54)。
[0038] 第三步三維信息的求解
[0039] 任取A1、A2圖像上兩個點(diǎn)的像素坐標(biāo)Χι、Χ2，通過下式計算：η(ν0 X b) = 0，n = (1 · 32，1 · 56，1)，然后取X!，X2繼續(xù)計算三維坐標(biāo)，P= (320.21，70.74，1023· 15)。
[0040] 該測量方法降低了單目測量的成本，簡化了測量流程并且提高了測量速度。將傳 統(tǒng)的基于激光投影或者基于空間先驗知識的單目視覺測量方法，改變?yōu)闊o需先驗知識，只 通過平行光學(xué)玻璃進(jìn)行輔助的單目視覺測量方法，提高了測量效率并且降低了成本。
【主權(quán)項】
1. 一種基于折射圖像偏差的Ξ維信息視覺測量方法，采用單攝像機(jī)先拍攝一張圖像 Α1，然后將已知折射率的玻璃板W任意角度放入相機(jī)前，再利用攝像機(jī)拍攝一張圖像Α2,利 用兩張圖像的偏差量，完成被測物體空間Ξ維信息的測量;測量方法的具體步驟如下： 第一步進(jìn)行單攝像機(jī)的標(biāo)定 測量方法采用單攝像機(jī)相對固定的方式，W精密加工的祀標(biāo)板對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的方 法；W張正友等人提出的基于2維平面祀標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法為基礎(chǔ)，并針對測量過程中相 對距離高精度的測量要求，實現(xiàn)單目系統(tǒng)在較大視場下的高精度標(biāo)定，單攝像機(jī)模型如下 所示：其中，Zc為比例因子，（u〇，vo)為圖像的主點(diǎn)坐標(biāo)，（Cx，Cy)為橫縱方向的等效焦距，R，T分 別為攝像機(jī)坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，（Xw，Yw，Zw)為控制點(diǎn)在世界坐標(biāo) 系下的坐標(biāo)，Μ為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，Q為相機(jī)外參數(shù)矩陣，（u，v)為控制點(diǎn)在攝像機(jī)平面上的 像素坐標(biāo)； 第二步標(biāo)記點(diǎn)特征的提取 采用梯度重屯、法分別提取A1、A2圖像上的特征，首先采用高斯一階微分算子對圖像進(jìn) 行卷積操作，W獲得圖像在各點(diǎn)的梯度，則對于標(biāo)志圖案所在子區(qū)域的梯度重屯、點(diǎn)坐標(biāo)的 求取方法如下：倒 其中，C為應(yīng)用梯度重屯、法所提取的標(biāo)記點(diǎn)中屯、像素坐標(biāo)值，（i，j)為標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，|G (i J)l為（i J)點(diǎn)的梯度幅值，w，h分別為目標(biāo)圖像的寬和高，P(i，j)為（i，j)點(diǎn)的圖像坐 標(biāo)； 第Ξ步Ξ維信息求解 由于添加的玻璃板是平行板，所W通過W下方程求解平行玻璃板的法向量η; n(vOXb)二 0 (3) 其中，η為平行玻璃板的法向量，vO是圖像上標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)的空間方向矢量，b是同一特征 點(diǎn)添加平行玻璃板前后的偏差矢量； 在無平行板遮擋前，通過小孔成像模型得到公式(4)，(4) 在平行板遮擋后，通過多折射模型得到公式巧），(5) 公式(4、5)中：P為空間一點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)下的Ξ維坐標(biāo)，pW為P的第=列，f為攝像機(jī) 焦距，山為玻璃板厚度，V0為靠近鏡頭端的光路的方向向量，VI光路在玻璃板中的方向向量， η為平行玻璃板的法向量； 通過公式(4)和公式(5)的連立求解出pW，進(jìn)而求解出Ρ。
【專利摘要】本發(fā)明基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量方法屬于計算機(jī)視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于折射圖像偏差的三維信息視覺測量方法。測量方法采用單攝像機(jī)先拍攝一張圖像A1，然后，將已知折射率的玻璃板以任意角度放入相機(jī)前，再利用攝像機(jī)拍攝一張圖像A2，利用兩張圖像的偏差量，完成被測物體空間三維信息的測量。此方法只需單一攝像機(jī)搭配厚度已知的平行玻璃板，不需要輔助激光以及輔助投影儀，也不需要已知圖像中的先驗知識，即可對于圖像內(nèi)的特征進(jìn)行三維信息的重建，降低了測量成本、增加了測量效率。實現(xiàn)了單目相機(jī)對于全視場內(nèi)的快速測量。
【IPC分類】G01B11/24
【公開號】CN105571518
【申請?zhí)枴緾N201610035785
【發(fā)明人】劉巍, 馬鑫, 賈振元, 魯繼文, 李肖
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年1月19日